一、机械结构件的（de）结构要素和设计方法 1 结构件的几何（hé）要素（sù）机械结构的功（gōng）能主（zhǔ）要是靠（kào）机械（xiè）零（líng）部件的几何（hé）形状（zhuàng）及（jí）各个（gè）零部件（jiàn）之间的相对位（wèi）置关系实现（xiàn）的（de）。零部件的（de）几（jǐ）何形（xíng）状由它的表面所构成（chéng），一个零件通常（cháng）有（yǒu）多（duō）个表面，在（zài）这些表面中有的与其它零部件表面直接接触，把这一部分表面称为（wéi）功（gōng）能表面。在功能表面之（zhī）间的联（lián）结（jié）部分称为联接表面。 零件（jiàn）的（de）功（gōng）能表面是决定机械功能的（de）重要因素，功能（néng）表面的设计是零部件结（jié）构设计的核（hé）心问（wèn）题。描述功（gōng）能表面的（de）主（zhǔ）要几何参数有表面的几何形状、尺寸大（dà）小、表面数量、位置、顺序等。通（tōng）过对功能表（biǎo）面的（de）变异设计（jì），可（kě）以得到为实现同一技术功能的（de）多种结构方案。2 结构件之间（jiān）的联接在（zài）机器或（huò）机械中，任何零件都不（bú）是孤立存在的。因此（cǐ）在结（jié）构设（shè）计中（zhōng）除了（le）研究零件（jiàn）本身（shēn）的功能和其它特（tè）征外，还必须（xū）研究（jiū）零（líng）件（jiàn）之间的相互关（guān）系。零件的相（xiàng）关（guān）分为直接相关和间接（jiē）相关两类。凡两零（líng）件有（yǒu）直接（jiē）装配关（guān）系的，成（chéng）为直接相关。没有直接装配关系的相关成为间接相关。间接相关又分为位置相关和运（yùn）动相（xiàng）关两类。位（wèi）置相（xiàng）关是指两零件在相互位置上（shàng）有要求，如减速器（qì）中两相邻（lín）的（de）传动轴，其中心距必须保证一定（dìng）的精（jīng）度（dù），两轴线（xiàn）必须平（píng）行，以保证齿轮的（de）正常（cháng）啮合（hé）。运动相关是指一零件的（de）运动（dòng）轨迹与另一零件有关，如车（chē）床刀架的运动轨迹必须平行（háng）于于主轴的中心线，这是靠床身导轨和主轴轴线相平行来保证的，所以（yǐ），主轴与导（dǎo）轨之间位置相关；而刀架与（yǔ）主轴之间为（wéi）运动相关。多数（shù）零件都（dōu）有（yǒu）两个或更多的直接相（xiàng）关零件，故每个零件大都具有两个或多个部（bù）位（wèi）在结（jié）构上（shàng）与其它零件（jiàn）有关。在进行结（jié）构（gòu）设计时，两零件直接相（xiàng）关部位必（bì）须同时考虑（lǜ），以便合理地选（xuǎn）择（zé）材料的（de）热处理方式、形状、尺寸（cùn）、精度及表面质量等。同时（shí）还必须考虑（lǜ）满足（zú）间接（jiē）相关条件，如进行尺寸链和精度计算等（děng）。一般来（lái）说（shuō），若某（mǒu）零件直接相关零件愈多（duō），其结构就（jiù）愈（yù）复杂；零件的（de）间（jiān）接相关零（líng）件愈多，其精度要求愈高。3 结构设计据结构件的材料机（jī）械设计中可以选择的材料众多，不同的材料具（jù）有不（bú）同的（de）性质，不同（tóng）的材料对应不同（tóng）的加工工艺，结构设计（jì）中既要根据功能要求合理地选择适当的材料，又要根据材（cái）料的种类确（què）定适当的加（jiā）工（gōng）工艺，并（bìng）根据加工工艺的要求确定适当的结构，只有通过适当的结构设计才能使（shǐ）所选择的材（cái）料最充分的（de）发挥优（yōu）势。设计者要做到正确地选（xuǎn）择材料就必须充分（fèn）地（dì）了解（jiě）所选材料的力学性能、加工性能、使（shǐ）用成本等（děng）信息。结构设（shè）计中应根据所选材料的特性及其所（suǒ）对应的加工工艺而遵循（xún）不同的设（shè）计原则。 二、机械结构设计（jì）的基本要求（qiú） 机械产品应（yīng）用于各（gè）行各业，结（jié）构设计的内容和要（yào）求也是千差（chà）万别，但都有相同（tóng）的共性部分。下面就机械结构设计的三个不同层次来说明对（duì）结构设（shè）计的要求（qiú）。1.功能设计（jì）满足主要（yào）机械功能要求，在技术上（shàng）的具体化。如工（gōng）作原理的实现、工作的可靠性、工（gōng）艺、材料和（hé）装配（pèi）等方面。2.质量设计兼顾各种要求和限制（zhì），提高产品的质量和（hé）性能价格比，它（tā）是现代工程设计的特征。具体（tǐ）为操作（zuò）、美观、成本、安全、环保等众多其它要求和限制。在现（xiàn）代设计中，质量设计相当重要，往往（wǎng）决（jué）定（dìng）产品的（de）竞争力。那种只满足主要技术功能要（yào）求的机械设计时代已经过去，统筹兼顾各种要求，提高产品（pǐn）的质量，是现代机械设计（jì）的关键（jiàn）所（suǒ）在（zài）。3.优化设计和创新设计（jì）用（yòng）结（jié）构（gòu）设计变元等方法系统地构造优化（huà）设计空间（jiān），用（yòng）创造性设计思维（wéi）方法和其它（tā）科（kē）学方法进行优选和创新。 三、机械结构基本设（shè）计准则 机械设计的最终结果是（shì）以一定的结构形式表（biǎo）现出来的（de），按所（suǒ）设计的结构进行加工、装（zhuāng）配，制造成（chéng）最（zuì）终的产品。所以，机械结（jié）构（gòu）设计应（yīng）满足（zú）作为产（chǎn）品的多（duō）方面要求，基本（běn）要求有功能、可靠性、工艺性（xìng）、经（jīng）济（jì）性和外（wài）观（guān）造型等方（fāng）面的要求。此外，还应改善零件的受力，提高强（qiáng）度、刚度（dù）、精度（dù）和（hé）寿命。因此，机械结构设计（jì）是一项综合性的技（jì）术工作。由于结构设计的错误或不合（hé）理，可能造成（chéng）零部（bù）件不应有的失效，使（shǐ）机器达不（bú）到设计精度的要（yào）求，给（gěi）装配和维修带（dài）来（lái）极大（dà）的不方便。机械结构设计过（guò）程（chéng）中应（yīng）考虑如下的结（jié）构（gòu）设计准则。1.现预期（qī）功能的设计准则产（chǎn）品（pǐn）的设计主要目的（de）是为了实现预定（dìng）的功（gōng）能（néng）要求，因此（cǐ）实现（xiàn）预期功能（néng）的（de）设（shè）计准则（zé）是结构设计首先考虑的问题（tí）。要满足功能要求，必须做到以下几点。(1)明确功能:结构设计是要根（gēn）据其在机器中的功能（néng）和与其他零部件相互的连接关系，确定参数尺寸和（hé）结构形（xíng）状。零部件主要的功（gōng）能有（yǒu）承受载荷、传递运动和动力，以（yǐ）及保（bǎo）证或保（bǎo）持有（yǒu）关零件或部件（jiàn）之间的相（xiàng）对位置或运动轨迹等。设计的结构应能满足（zú）从机（jī）器整体考虑（lǜ）对它的（de）功能要求。(2)功能合理（lǐ）的分配：产品设计时，根据（jù）具体情（qíng）况，通常（cháng）有必要将任（rèn）务进（jìn）行合理（lǐ）的分（fèn）配，即将一个功能分解为多个（gè）分功（gōng）能。每个分（fèn）功能都要有确定（dìng）的结构承担，各部分结构之间应具有合理（lǐ）、协（xié）调的联系，以达到总功（gōng）能的实（shí）现。多结构零件承担同一功能可以减轻零件负（fù）担，延（yán）长使用（yòng）寿命。V型带截面的结构是任务合理分配的一个例子。纤维绳用来承受（shòu）拉力；橡胶填充层承受带弯曲时的拉伸和压（yā）缩（suō）；包布层与带轮轮（lún）槽作用，产生传动所需的摩擦（cā）力。例如，若（ruò）只靠螺栓预紧产生的摩擦力来承受横向载荷时，会使螺（luó）栓的（de）尺寸过大，可增加抗剪元（yuán）件，如销、套筒和键等，以分（fèn）担（dān）横向载荷来（lái）解决这（zhè）一（yī）问题。(3)功能集中：为了简化机（jī）械产品的（de）结构（gòu），降低（dī）加工（gōng）成本，便（biàn）于安（ān）装，在某些情况下，可由一个零（líng）件（jiàn）或部件（jiàn）承担多个（gè）功能。功能（néng）集中会使零（líng）件（jiàn）的形状更加复杂，但要有度（dù），否（fǒu）则反（fǎn）而影响加工工艺（yì）、增加加（jiā）工成（chéng）本，设计时应根据（jù）具（jù）体情况而定。2.满（mǎn）足（zú）强度要（yào）求的设（shè）计准则(1) 等（děng）强度准则：零件截面尺寸（cùn）的变化应与其内应力变化相适应（yīng），使各截面的强（qiáng）度相等。按（àn）等强度原理设计的结构，材料可以（yǐ）得到充（chōng）分的利用（yòng），从（cóng）而减轻了重量、降低成本。如悬臂支架（jià）、阶梯轴的设计等。(2) 合理力流结构：为了直观地表示力在机械构件（jiàn）中怎样传递的状态，将力看作犹如水在（zài）构件中（zhōng）流动（dòng），这些力线汇成力流。表示这个力的流动在（zài）结构设计考（kǎo）察中起着重要的（de）作用。力流在构件中（zhōng）不会中（zhōng）断，任何（hé）一条力线都不会突然（rán）消失（shī），必然是从一处传（chuán）入，从另一处传出（chū）。力流的另一（yī）个特性是（shì）它（tā）倾向于沿最短的路（lù）线（xiàn）传递，从而在（zài）最短路（lù）线附近力流密（mì）集，形成高（gāo）应力区。其它部位力流稀疏，甚至没有力流通过，从（cóng）应力（lì）角度（dù）上讲，材料未能（néng）充分利（lì）用。因此，若为了提高构件的刚度，应该尽可能按力流最短路线来设计零件的形状，减少（shǎo）承载区域，从而累积变（biàn）形越小，提高了整个构件的刚度，使材料得（dé）到（dào）充（chōng）分利用。(3) 减小（xiǎo）应力（lì）集中结构：当力流方（fāng）向（xiàng）急剧（jù）转（zhuǎn）折时，力流在（zài）转折处会（huì）过于密集，从而引起应力（lì）集中，设（shè）计（jì）中应在结构上采（cǎi）取（qǔ）措施，使力（lì）流（liú）转向平缓（huǎn）。应（yīng）力集中是影响零件疲（pí）劳（láo）强度的重要因素（sù）。结（jié）构设计时，应尽量避免或减小应力集中。其方法在相应（yīng）的章节会作介绍，如增（zēng）大过度圆角、采（cǎi）用卸载结构等。(4) 使载荷平衡结构：在机器工（gōng）作时，常产生一些无用的力，如（rú）惯性力、斜齿轮轴（zhóu）向力等，这些力不但增（zēng）加了轴（zhóu）和轴衬等零件的负荷，降低其（qí）精度和寿命，同（tóng）时（shí）也降低了机（jī）器（qì）的传动效率。所谓载荷平衡就（jiù）是指采取结构措施部分或全部平衡无（wú）用力，以（yǐ）减轻（qīng）或消（xiāo）除其不良的影（yǐng）响。这些（xiē）结构措（cuò）施主（zhǔ）要采（cǎi）用平衡元（yuán）件、对称布置（zhì）等。 3.满足结构刚（gāng）度的（de）设计（jì）准则（zé）为保证零件在使用（yòng）期限内正常地实现其功能，必（bì）须使其具有足够的刚（gāng）度。4.考虑加工工艺的设（shè）计准则（zé）机械零部件结（jié）构设计的主要目的（de）是：保（bǎo）证功能的实现（xiàn），使产品达到要求的性能。但是，结构设计的结（jié）果对产品（pǐn）零（líng）部件的生（shēng）产成（chéng）本及质量有着（zhe）不可低（dī）估（gū）的影响。因（yīn）此，在结构设计（jì）中应力求使产品有良好的加工工艺性（xìng）。所谓（wèi）好的加工工艺指的是零部件的结构易于加工（gōng）制（zhì）造（zào），任何一种加工方（fāng）法都有可能不能制造某些结构的零部（bù）件，或生产（chǎn）成本很高，或质量受到影响。因此，对于设计者认识（shí）一种加工方法的特（tè）点非常重要，以便在设（shè）计结构（gòu）时尽可能（néng）的扬长避短。实际中，零（líng）部件结构工艺性受到诸多因素（sù）的制约（yuē），如生产批量的大小会影响坯件的生成方法；生产设备的条件可能会限制工件的（de）尺寸；此外，造型、精度、热处理（lǐ）、成本等方面都有可能对零部（bù）件结构的工艺性有制约作（zuò）用。因此（cǐ），结（jié）构设计中应充分考（kǎo）虑上述因素对工艺性的（de）影响。5.考虑装配的设计准则装配是产品制造过程（chéng）中的（de）重要工序（xù），零部件的（de）结构对装（zhuāng）配（pèi）的质量、成本（běn）有直接的影响。有关装配的结构设计准则简述如下（xià）：（1）合理划分装配单元：整机应（yīng）能分解成若干可单独装配的单元（部件或组件），以（yǐ）实现平行且专业化的（de）装配作（zuò）业（yè），缩短装配周（zhōu）期，并且（qiě）便于逐级技术检验和维（wéi）修。（2）使（shǐ）零部件得到（dào）正（zhèng）确（què）安装：保证零件准确的定位、避免双（shuāng）重配合（hé）、防（fáng）止装配（pèi）错误（wù）。（3）使零（líng）部（bù）件（jiàn）便（biàn）于装配（pèi）和拆卸（xiè）：结构设计中，应保证有足够的装配空（kōng）间，如扳手空（kōng）间；避（bì）免过长配合（hé）以免增加装（zhuāng）配难度，使配（pèi）合面擦（cā）伤，如有些阶梯轴的（de）设计；为便（biàn）于（yú）拆卸零件，应给出安放拆卸（xiè）工具的（de）位置，如轴承的拆卸。6.考虑维护修理的设计准则（1) 产品的配置应根据其故障率的高低（dī）、维修的难易（yì）、尺寸（cùn）和质量的大小以及安装特点等统筹安排，凡需（xū）要（yào）维修的（de）零件部件，都应具（jù）有良好的可达性；对（duì）故障率高（gāo）而又需要经常维修的部（bù）位及（jí）应急开关，应（yīng）提供最佳的可（kě）达性。（2) 产品特别是易损件（jiàn）、常拆件和附加（jiā）设备的拆装（zhuāng）要简便，拆（chāi）装（zhuāng）时零（líng）部件进（jìn）出的路线最好是直线或（huò）平缓（huǎn）的曲（qǔ）线。（3) 产品的检查点、测试点（diǎn）等系统的（de）维护点（diǎn），都应（yīng）布（bù）置（zhì）在便于接近的位置上。（4) 需要维修和拆装（zhuāng）的产品，其周（zhōu）围要有足（zú）够（gòu）的操作空（kōng）间。（5) 维修时一般应能看见内（nèi）部（bù）的操作，其通道除（chú）了（le）能（néng）容纳（nà）维修人员的手（shǒu）或臂（bì）外，还应留有供观察的适当（dāng）间隙。7.考虑（lǜ）造型设计的准则（zé）产品（pǐn）的设计不仅要满足（zú）功能要求，而且还应（yīng）考虑产品造型的美学价值，使之对人产生（shēng）吸引力。从心理学角度看，人60%的（de）决（jué）定取（qǔ）决于第一印象。技术（shù）产（chǎn）品（pǐn）的社会属性（xìng）是商品，在买方（fāng）市场的时代（dài），为产品设计一个能吸引顾（gù）客的外观是一个重（chóng）要的设计要求；同时造型美观的（de）产品可使操作者减少因精（jīng）力疲惫而产生的误操作。外观设计包（bāo）括（kuò）三个方面：造型（xíng）、颜色和表面处理。考虑造（zào）型时，应注意尺（chǐ）寸比例协调（diào）、形（xíng）状（zhuàng）简单统一以及色彩（cǎi）、图案的支持和点缀（zhuì）。 单色只使（shǐ）用（yòng）于小（xiǎo）构件（jiàn）。大的特别是运动构件如果只用一种颜色（sè）就会（huì）显得单调（diào）无层次，一个（gè）小小的（de）附加色块会使整个色调活跃（yuè）起（qǐ）来。在多个颜色并存的（de）情况下，应有一个（gè）起主导作用的底色（sè），和底（dǐ）色（sè）相对（duì）应的颜色叫对比色（sè）。但在一个产品上（shàng），不同色调的数量不宜太多，太多的色彩会给（gěi）人一种（zhǒng）华而不（bú）实的感觉（jiào）。舒（shū）服的（de）色彩大约位于从浅黄、绿黄到棕的区域。这（zhè）个趋（qū）势（shì）是（shì）渐暖，正黄正绿往往显得不舒服；强（qiáng）烈（liè）的灰色调显得压抑（yì）。对于冷环境应用暖色（sè），如黄、橙黄（huáng）和红。对于热环境用冷（lěng）色，如（rú）浅（qiǎn）蓝。所有颜色（sè）都应淡化。另外，通过一定的色彩配置可使（shǐ）产（chǎn）品（pǐn）显得安全、稳固。将形（xíng）状（zhuàng）变化小（xiǎo）的、面积较大（dà）的平面配（pèi）置浅（qiǎn）色，而（ér）将运动、活跃轮廓的元（yuán）件配置深色；深色应安（ān）置于机械的下部，浅色（sè）置于上部。8.考虑成（chéng）本的设计准则设（shè）计时（shí）应简化产品及维修操作：（1）设（shè）计（jì）时，要对（duì）产（chǎn）品功能（néng）进（jìn）行分析权衡，合并相同或相似（sì）功能，消除不（bú）必要的功能，以简化产品和维修操作（zuò）。（2）设计时（shí），应在满足规（guī）定（dìng）功能要（yào）求的条件下，使其构造简单，尽（jìn）可能减少产品层（céng）次和组成单（dān）元的数量，并（bìng）简化（huà）零件的形状。（3）产品应尽量设计简便而可（kě）靠的调整机（jī）构，以便于排除因磨损或飘（piāo）移（yí）等原因引（yǐn）起的常见（jiàn）故障。对易发生局（jú）部（bù）耗损的贵重件，应设计成可调整或可拆（chāi）卸的组（zǔ）合件，以便于（yú）局部更换或修复。避免或减（jiǎn）少互（hù）相牵连（lián）的反复调校。（4）要合理安（ān）排各（gè）组成部分的位置（zhì），减少连接件、固定件、使其检（jiǎn）测、换件（jiàn）等维修操（cāo）作（zuò）简单方（fāng）便，尽可能做到在维（wéi）修任一部分时，不拆卸、不（bú）移（yí）动（dòng）或少拆卸、少移动其他部（bù）分，以降低对维修人员（yuán）技能（néng）水平的（de）要求（qiú）和工（gōng）作量。
一、机械结构件的（de）结构要素和设计方法
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